維管束植物法國(guó)欽桐葉片氮含量及氮同位素隨季節(jié)變化

氮的來(lái)源可分為自然源和人為源。在森林和其他自然系統(tǒng)中，主要是自然源，而城市大氣氮主要是人為源。例如，在運(yùn)輸和工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，巖屑燃燒產(chǎn)生的nox、農(nóng)業(yè)活動(dòng)、廢水和人類(lèi)廢物釋放的氮和氣體。不同源氮的不同元素的構(gòu)成存在顯著差異。利用氮元素可以識(shí)別不同的大氣氮源。由于工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，過(guò)量含氮量的過(guò)量顆粒轉(zhuǎn)移到天然氣中，導(dǎo)致酸沉淀的主要原因之一是缺乏。關(guān)于大氣氮沉降,國(guó)內(nèi)外已從多方面開(kāi)展研究.在物理監(jiān)測(cè)方面,有對(duì)雨水、氣溶膠的分析及同位素組成的測(cè)定.在生物監(jiān)測(cè)方面,Press等早在1986年就已開(kāi)展過(guò)關(guān)于氮沉降量增多對(duì)影響苔蘚生長(zhǎng)的研究.苔蘚氮同位素也被應(yīng)用于示蹤城市大氣氮源,并被證實(shí)為指示大氣氮沉降的可靠工具.關(guān)于響應(yīng)的研究還相對(duì)較少,主要集中在應(yīng)用松針、樟樹(shù)等指示氮沉降和氮源.研究高等植物葉片δ15N對(duì)大氣氮沉降的響應(yīng),還可幫助認(rèn)識(shí)植物對(duì)大氣氮的吸收機(jī)制,理解大氣-植被系統(tǒng)-土壤的氮循環(huán),分析大氣氮的生物可利用性及其影響.本研究對(duì)象為法國(guó)梧桐,因其被廣泛應(yīng)用于城市綠化,便于不同區(qū)域進(jìn)行對(duì)比分析.通過(guò)對(duì)法國(guó)梧桐葉片氮含量及穩(wěn)定氮同位素的分析,探討其季節(jié)變化規(guī)律及對(duì)大氣濕沉降氮的響應(yīng),從而指示氮源的變化和污染程度,研究大氣濕沉降氮對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響,及后者的響應(yīng)和反饋機(jī)制,對(duì)于合理制定政策措施以保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.1研究區(qū)域和方法1.1大氣氮、氮源變化本研究區(qū)域?yàn)橘F陽(yáng)市,地處西南喀斯特地區(qū),是一個(gè)有過(guò)嚴(yán)重酸雨污染歷史的城市.雖然近年來(lái)貴州政府加大治理力度,關(guān)閉和轉(zhuǎn)移了一些重型污染工廠,環(huán)境質(zhì)量有所改善,但其大氣氮沉降水平仍較高,因此,研究貴陽(yáng)市大氣氮沉降對(duì)城市生態(tài)系統(tǒng)的影響具有重要意義.貴陽(yáng)屬溫暖濕潤(rùn)的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),雨量充沛,年均降雨量約1200mm,夏季常降大雨.貴陽(yáng)市環(huán)境狀況公報(bào)數(shù)據(jù)顯示,從2002～2010年,貴陽(yáng)市大氣NO2濃度基本保持穩(wěn)定,而降水中的NO-3比80年代降低了數(shù)倍,而NH+4卻有所增加,反映近年來(lái)貴陽(yáng)市燃煤減少而畜牧養(yǎng)殖業(yè)等有所增加的情況.由于特殊的地理位置和敏感的生態(tài)環(huán)境,前人對(duì)于貴陽(yáng)開(kāi)展的研究較多,有豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行比對(duì)分析,為深入研究以貴陽(yáng)市為例的城市大氣環(huán)境提供了很好的條件.如2009年劉學(xué)炎等基于石生苔蘚氮含量,估算得貴陽(yáng)地區(qū)大氣氮沉降的變化范圍為0.91～44.69kg·(hm2·a)-1,市區(qū)沉降均值為(29.21±6.17)kg·(hm2·a)-1.對(duì)大氣沉降氮源的氮同位素示蹤結(jié)果表明,市區(qū)氮沉降的主要來(lái)源是人畜排泄物和城市污水釋放.Liu等的研究結(jié)果還表明,貴陽(yáng)地區(qū)的大氣氮沉降以NHy-N為主,其中銨態(tài)氮的貢獻(xiàn)約占76%,硝態(tài)氮約為23%.1.2樣品采集和預(yù)處理本研究以中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所園區(qū)內(nèi)的一棵法國(guó)梧桐為監(jiān)測(cè)對(duì)象,所選法國(guó)梧桐約為20年生,樹(shù)高約18m.采樣時(shí)間為2009-03～2010-04,采樣頻率春季為3次·月-1,其余季節(jié)為1次·月-1.按照植物樣品采樣原則,所選樹(shù)種近旁無(wú)高大建筑或其他樹(shù)木遮蔽影響,環(huán)樹(shù)干采集等距葉片混合為綜合樣品.在所選法國(guó)梧桐樹(shù)下,采集根際土,深度約20～80cm,不分剖面作混合樣品,春、秋各采集1次.本研究中共采集葉片樣品45個(gè),土壤樣品2個(gè).葉片樣品采集后,先用稀HCl溶液(1.5mol·L-1)泡洗以去除表面塵土,去離子水反復(fù)清洗,最后用超純水(Milli-Q)沖洗干凈,直至清洗液中檢測(cè)不出無(wú)機(jī)氮(NH+4或NO-3).將植物葉片于70℃真空干燥箱中烘至恒重,而后用液氮冷凍磨碎,過(guò)篩(100目),保存于干凈自封袋中備用待測(cè).土壤樣品,揀去樹(shù)根、石粒等雜物后,取其中約5g新鮮土,用于測(cè)定土壤pH值等一些基本理化性質(zhì),其余部分風(fēng)干,粉碎過(guò)篩(100目)備用.1.3測(cè)定項(xiàng)目和方法樣品上機(jī)測(cè)定前,在70℃重新干燥后,稱(chēng)取約2mg樣品(葉片或土樣),用全自動(dòng)元素分析儀(型號(hào)PE2400Ⅱ,USA),采用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)胱氨酸(N%=11.7%),測(cè)定其元素含量,測(cè)量誤差為±0.1%.氮同位素值測(cè)定,葉片樣品使用連續(xù)流質(zhì)譜儀CF-IRMS(IsoPrimeJB144)進(jìn)行測(cè)定.由于土樣氮含量較低,土樣氮同位素值改用質(zhì)譜(FiniganMAT252)測(cè)定.δ15N測(cè)定數(shù)據(jù)采用硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)ST-N1(δ15N=-1.89‰)、ST-N2(δ15N=21.38‰)進(jìn)行校正,分析測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)偏差為±0.2‰.本研究中所有分析實(shí)驗(yàn),均在中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成.2結(jié)果與分析2.1夏季至春季7、8月本次研究結(jié)果顯示,法國(guó)梧桐葉片N%變化范圍為1.48%～5.27%,均值為3.36%.如圖1所示,從3～11月,N%逐漸降低.春季含量較高,其中3月為最高峰值,4月降低,5月有回升;在夏季,6月出現(xiàn)第2個(gè)峰值,7、8月稍有回落;進(jìn)入秋季,9～11月持續(xù)降低;在冬季(12月～次年2月),法國(guó)梧桐落葉,故沒(méi)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).由圖1中可以看出,葉片N%總體表現(xiàn)為春夏高、秋季降低的趨勢(shì).結(jié)合該采樣點(diǎn)同期雨水監(jiān)測(cè)結(jié)果作對(duì)比分析,由于雨水中NO-2濃度很低(<10%),本研究以NH+4-N與NO-3-N之和代表雨水DIN.對(duì)比發(fā)現(xiàn)在3～8月期間,葉片N%與雨水DIN的季節(jié)變化同步,而在8～11月期間,葉片N%未隨雨水DIN的波動(dòng)而起伏.將葉片N%與濕沉降量(DIN×降雨量)作相關(guān)性分析,如圖2所示,R=0.90,屬高度相關(guān),P<0.01.2.2雨水中nh-4-n的同位素組成,西部雨水中nh/5相對(duì)偏正,下挖深度及下基層土總氮的同位素組成,呈下降態(tài)勢(shì),下封閉型的雨水15n,葉片15n,葉片15n,15n,15n,15n,15n,15n,15n,15n,15n,15e,5e,1011月變化的特征,5e,1011月變化的下表15e,5e,1015e,1015e,1015e,1015e,1010.如圖3所示,法國(guó)梧桐δ15N變化范圍為4.48‰～8.39‰,均值為6.38‰.葉片δ15N的月變化規(guī)律表現(xiàn)為3～8月持續(xù)降低(由8‰左右降低至5‰左右),8～11月變化較小.對(duì)比同期雨水中NH+4-N的同位素組成(δ15N范圍:-19.76‰～-10.41‰,均值為-15.42‰),發(fā)現(xiàn)葉片δ15N遠(yuǎn)比雨水δ15N-NH+4偏正,而兩者的季節(jié)變化規(guī)律皆呈現(xiàn)出春季高,夏秋降低的趨勢(shì),作相關(guān)性分析,如圖4所示,R=0.66,屬中度相關(guān).本研究中還測(cè)定了法國(guó)梧桐根際土總氮的同位素組成(δ15TN為3.19‰±1.04‰),也較葉片δ15N偏負(fù).2.3葉片養(yǎng)分含量從圖5中可以看出,葉片δ15N與ln(N%)中度線性相關(guān),葉片氮含量越高,結(jié)果顯示其同位素組成也越偏正,表明葉片吸收N過(guò)程中存在同位素分餾.3討論3.1法國(guó)越桐葉片n%與雨水din的關(guān)系利用植物對(duì)大氣污染的靈敏響應(yīng),判斷污染物類(lèi)型及污染程度,是生物監(jiān)測(cè)環(huán)境污染的重要方面.苔蘚因其特殊的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生物學(xué)性質(zhì)而被確定為指示大氣污染較為可靠的生物物種.在具有詳細(xì)大氣氮沉降數(shù)據(jù)的地區(qū),已有少數(shù)研究者建立了苔蘚氮含量和大氣氮沉降量之間的定量關(guān)系.在歐美,也有學(xué)者對(duì)比研究了清潔區(qū)和污染區(qū)的幾個(gè)樹(shù)種,證明了松針等高等植物葉片能指示大氣氮沉降的動(dòng)態(tài)變化,在國(guó)內(nèi),Xiao等也探討了樟樹(shù)葉片對(duì)大氣氮的響應(yīng)規(guī)律.前人研究發(fā)現(xiàn),葉片對(duì)氮沉降的主要吸收形式是可溶性無(wú)機(jī)氮DIN.在本研究中,也發(fā)現(xiàn)法國(guó)梧桐葉片N%與雨水DIN之間有很好的相關(guān)性.如圖1中所示,在8月處設(shè)分界線,將葉片生長(zhǎng)期大致分為2個(gè)部分:旺盛期和衰落期.春夏季(3～8月)是植物的生長(zhǎng)旺盛期,新生葉片對(duì)氮的需求較大,植物體優(yōu)先供給新生組織以滿足其生長(zhǎng).葉片N%隨大氣氮供給情況而波動(dòng).在秋季(9～11月),葉片生長(zhǎng)放緩,進(jìn)入衰落期;在冬季法國(guó)梧桐開(kāi)始落葉,不再?gòu)拇髿庵形盏?而是一直往外運(yùn)移供給植物體其他組織.因而即使雨水DIN中氮含量在10月有較高的濃度值,葉片N%仍呈降低趨勢(shì).大氣中氨的來(lái)源可分為自然源和人為源,自然源主要指:土壤釋放、海水蒸發(fā)、植物釋放等;人為源包括化肥生產(chǎn)和使用、人畜排泄物、以及污水釋放等,不同來(lái)源的氮,具有不同的同位素特征范圍.本研究中所選城市貴陽(yáng),其大氣氮沉降的主要形態(tài)是NHy沉降,來(lái)源主要有人畜排泄物(-15.2‰～-8.9‰)和城市污水釋放(-15‰～-4‰),而NOx(δ15N:-5‰～+5‰)貢獻(xiàn)相對(duì)較小.雨水中的NH+4主要來(lái)自于被雨水溶解的大氣氣態(tài)NH3(g)和被雨水捕獲的氣溶膠中的NH+4.因此本研究所參考的雨水δ15N-NH+4值可以作為反映大氣氮沉降同位素特征的參數(shù).已有前人研究發(fā)現(xiàn)落葉樹(shù)種葉片更傾向于吸收NHy,這在本研究結(jié)果中也有體現(xiàn),如圖3所示,葉片δ15N和雨水δ15N-NH+4隨時(shí)間變化的規(guī)律基本同步,在控制相同土壤背景情況下,葉片δ15N的變化可看為大氣濕沉降氮對(duì)植物的貢獻(xiàn),即葉片對(duì)大氣濕沉降氮源差異或形態(tài)差異的響應(yīng).3.2法國(guó)越桐葉片養(yǎng)分含量和組成對(duì)比應(yīng)用植物葉片示蹤大氣氮沉降已有較長(zhǎng)的研究歷史,如苔蘚對(duì)大氣氮沉降的直接指示作用已得到了證實(shí).由于土生樹(shù)種生長(zhǎng)所需的氮,既有來(lái)自于大氣,也有來(lái)自于土壤,因此關(guān)于土生樹(shù)木葉片對(duì)大氣氮沉降的響應(yīng)能力,研究相對(duì)較少.已有的少量對(duì)針葉樹(shù)種的研究,結(jié)果證明松針δ15N可以示蹤大氣氮源,也有學(xué)者研究取得了一些關(guān)于大氣氮沉降影響植物氮?jiǎng)討B(tài)的證據(jù).然而不同樹(shù)種的植物生理生態(tài)特性有區(qū)別,它們對(duì)不同形態(tài)氮的吸收機(jī)制,以及植物體吸收氮后,組織間的輸送轉(zhuǎn)移情況和同化路徑都不盡相同,可能導(dǎo)致分餾情況存在差異.雖同是非固氮植物,苔蘚僅從大氣吸收氮,且在這個(gè)過(guò)程中幾乎不發(fā)生同位素分餾,而法國(guó)梧桐屬維管束植物,根系發(fā)達(dá),它有2個(gè)主要的氮源:大氣氮沉降和土壤基質(zhì)氮.土壤受降雨、降塵等影響導(dǎo)致其同位素組成的變化,也可歸因于大氣氮引起的差異,因此,與大氣中氮的存在形態(tài)、沉降方式的多樣性相比,土壤基質(zhì)氮可作為穩(wěn)定氮源考慮.本研究中法國(guó)梧桐葉片的δ15N,受2個(gè)主要氮源的混合作用、氮吸收過(guò)程以及氮在植物體內(nèi)運(yùn)移過(guò)程中的氮同位素分餾作用等因素的影響.由表1可知,法國(guó)梧桐葉片δ15N值,比2個(gè)主要端元(根際土:3.19‰,雨水δ15N-NH+4:-19.76‰～-10.41‰)都偏正,比同一地區(qū)苔蘚的δ15N(-12.50‰～-6.01‰)也偏正.葉片是維管植物的主要營(yíng)養(yǎng)器官,它吸收大氣N,也接受從根系運(yùn)移上來(lái)的N,進(jìn)行光合作用,這過(guò)程中無(wú)機(jī)氮以多種方式合成進(jìn)入有機(jī)物,NH+4-N通過(guò)酶的固定作用進(jìn)入生物體,氧化態(tài)的NO-3和NO-2首先被還原為NH3,然后被植物體吸收合成有機(jī)物.植物葉片同化NH+4的過(guò)程中主要發(fā)生動(dòng)力學(xué)分餾,引起的氮同位素分餾范圍為-27‰～0‰,本研究中法國(guó)梧桐葉片δ15N比根際土偏正約3‰,比雨水偏正約22‰.有研究表明,闊葉樹(shù)種葉片對(duì)氮的滯留比針葉樹(shù)種大,本研究所選的法國(guó)梧桐,其葉片較大的表面積及布滿的細(xì)密絨毛,都有益于其阻滯大氣沉降,從而使得法國(guó)梧桐葉片能夠?qū)Υ髿獾两淀憫?yīng)更充分.本研究中葉片N%與雨水DIN、葉片δ15N和雨水δ15N-NH+4一致的季節(jié)變化規(guī)律表明,除了落葉的冬季,法國(guó)梧桐葉片響應(yīng)大氣濕沉降氮的季節(jié)變化是可能的.開(kāi)展維管束植物葉片氮同位素組成指示大氣氮沉降的研究,探討其季節(jié)變化規(guī)律及對(duì)大氣氮沉降的響應(yīng),從而指示城市大氣氮源的變化和污染程度,定性評(píng)價(jià)大氣氮輸入對(duì)植物的貢獻(xiàn),為防治城市大氣氮污染提供一些生物監(jiān)測(cè)方面的參考資料.4大氣濕沉降氮源變化(1)法國(guó)梧桐葉片N%與雨水DIN的季節(jié)變化有很好的相關(guān)性,總體呈現(xiàn)春